Jülich与ORNL合作研发铁-空气电池 电极积聚物可提升电池容量
时间:2017-11-20 16:38来源:盖世汽车 作者:李文龙
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据外媒报道，铁-空气电池（Iron–air batteries）的能量密度要远高于当前的锂离子电池。此外，其主要构成物“铁”的储量十分富足，该材料的价格也很便宜。为此，于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）也致力于重新研究该铁-空气电池这一理念（上世纪70年代就已提出）。
由于技术难题难以攻克，自上世纪80年代起，金属-空气电池的研究被弃置了很长一段时间。然而，最近数年来，该领域的研发兴趣越来越大。铁-空气电池的通过铁与氧的反应来获得能量。在反应过程中，铁氧化过程与生锈过程几乎一样。该反应需要周边空气内的氧气参与反应，这样就无需考虑电池的氧气存储问题。由于可节省材料成本，使得研究机构纷纷开始研发铁-空气电池。
于利希研究中心与美国橡树岭国家实验室（ORNL）已成功观测到电池运行期间铁电极上的积聚物是如何形成的，其观测精度可达纳米级。若欲进一步研发铁-空气电池并达到市场成熟水平，对其充放电反应的深入了解就显得至关重要了，该研究成果已发表在期刊《纳米能源（Nano）》中。
据估计，铁-空气电池能量密度的理论值在1200 Wh/kg，相较之下，当前锂离子电池的能量密度约为600 Wh/kg，若将电芯外壳的重量纳入考虑，其能量密度将低于350 Wh/kg。
锂-空气电池的最大能量密度将达到11400 Wh/kg，但其技术难度极大、复杂性较高。然而，如果按体积能量密度来比对，铁-空气电池的表现则更好：9700 Wh/l，几乎是当前锂离子电池（2000 Wh/l）体积能量密度的5倍，锂-空气电池的体积能量密度“仅为”6000 Wh/l。对于众多移动设备而言，铁-空气电池的吸引力依然很大，因为体积（空间）要求也成为了移动应用的一项重要参数指标。
于利希研究中心采用了美国橡树岭国家实验室纳米材料科学中心（Center for Nanophase Materials Sciences）的原位电化学原子力显微镜（in situ electrochemical atomic force microscopes）对铁-空气电池的充放电情况进行观察，并确认氧化铁颗粒（Fe(OH)2）是如何形成于铁电极之上的。
（电极）积聚物提升电池容量
积聚物并不会降低电池的容量，恰恰相反，纳米多孔层（nanoporous layer）会增大电极的活性表面积（active surface area），在充放电周期后，其电池容量会小幅提升。得益于该研究调查，研究人员首次获得了纳米多孔层增生的清晰脉络图。
然而，距该产品的市场成熟尚有一段时间。研究人员在实验室内进行了数千次的充放电试验，尽管铁质孤岛电极（isolated electrodes）在运行时并未出现较大的能量损失，但铁-空气电池在采用空气电极作为电池的另一极后，充放电次数却只维持在20-30次。
该实验结果被划归到高温及高能量密度材料的研究项目范畴内，该项目获得了德国联邦研究教育部（German Federal Ministry of Education and Research）的资金支持。
未来，美国橡树岭国家实验室与于利希研究中心或将签订合作协议，因为双方自2008年后就加强了在各个科研领域内的研究。（本文图片选自于利希研究中心官网）
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